盾构切削复合地基对既有房屋的影响

付魁

(中铁十八局集团第一工程有限公司， 涿州 072750)

随着中国城市建设的快速发展，城市地下空间和地铁隧道正在不断的开发和建设，目前全国拥有轨道交通的城市将近50个[1-2]。这其中绝大多数地铁隧道均采用盾构法施工，并且盾构施工时不可避免地要穿越大量老城区和棚户区的老旧民居。这些民居，多数修建于20世纪70—90年代，楼层低，砖砌而成，采用天然地基和条形基础，并且多数房屋结构已然损坏，整体结构抗变形能力差。因此，对盾构下穿施工的参数控制精度提出了非常高的要求，稍有不慎就会导致房屋开裂，并造成较大人民生命财产损失。为此，盾构下穿老旧房屋的变形与控制技术问题近年来得到了广泛关注。

孙宇坤等[3]通过杭州地铁1号线隧道工程下穿13 栋住宅群案例分析，发现砌体结构建筑物的沉降变化规律不同于天然地表沉降变化规律，尤其工后房屋沉降量占累积沉降量的比例明显大于天然地表沉降。孙曦源等[4]通过北京地区6处地铁隧道下穿砌体结构建筑物典型工程实例，分析得出基底沉降槽显著影响区弯折点距隧道轴线0.3H～0.6H(H为隧道顶距基础底距离)，沉降规律近似服从修正的Peck公式。张立亚等[5]基于自动化监测对盾构切桩穿越建筑群的沉降进行了实时监测，结果表明房屋沉降的大小受距中线距离的影响，房屋的沉降主要发生在盾构刀盘进入房屋到盾尾脱离房屋这一阶段。杜闯东等[6]采用刀盘切削桩基实体模型方法，模拟不同刀具布置和多种掘进工况，分析掘进参数及刀具布置对桩基破坏形态、刀盘破坏形态的影响规律。王禹椋等[7]对盾构切削穿越群桩后的沉降进行数值模拟，结合数值模拟结果和实测数据进行分析，研究了盾构机切削桩基对地表沉降、桩体本身的影响。唐仁等[8]通过有限元软件对盾构隧道全断面正面切桩、非全断面侧面切桩以及全断面侧面切桩三种工况进行模拟，分析三种工况对桩基承载力影响的大小，确定了切桩后桩基产生负摩阻力的范围。Giardina等[9]通过数值模拟研究了砂土隧道与地表结构之间的相互作用，得出了隧道开挖对建筑物的影响不仅取决于结构和土壤之间的相对刚度，也取决于建筑物的重量。Farrell等[10]通过比较建筑物沉降和相应的地面运动，量化了土壤结构相互作用。Zhao等[11]提出了一种现场灵敏度的分析方法，研究了土体-隧道-建筑系统特性对建筑物沉降和倾斜的影响。

目前在中外大多数盾构隧道下穿工程中地基形式主要为天然地基和桩基，近乎没有涉及复合地基。盾构下穿切除大部分桩体，不仅对桩端平面上桩端承载力和土的承载力是一种削弱，由于桩体被人工缩短，使得其承担上部荷载的能力大幅下降，加之周围土的卸荷作用，桩与土之间的相互作用关系也在发生变化，而复合地基恰恰是桩与土共同承担上部荷载，因此，桩与土分担上部荷载的状态和彼此之间的变形协调能力将随之改变，进而引起房屋基础沉降。基于此，现依托郑州5号线农业东路站～心怡路站区间隧道工程，将对盾构下穿切群桩复合地基全过程中房屋沉降变形的分布特征与变化规律，以及施工参数进行系统分析，以期为此类工程中房屋沉降控制提供施工指导建议。

1 工程概况

郑州地铁5号线农业东路站～心怡路站区间左线盾构隧道斜交下穿郑河小区居民楼，盾构隧道轴线与居民楼的斜交角为22°。下穿隧道与居民楼平面位置关系如图1所示。

该民居楼为7层砌体结构，地基与基础分别为复合地基和条形基础。条形基础材料为C30混凝土浇筑而成，素混凝土垫层厚度为100 mm，级配砂石垫层厚度为200 mm，桩顶相对标高为-4.3 m。地基采用水泥土桩复合地基，桩径500 mm，桩间距950 mm，有效桩长为11 m。盾构机壳体外径6.34 m，错缝拼装管片外径6.2 m，内径5.5 m，壁厚0.35 m，下穿段管片宽度为1.5 m，非下穿段管片宽度为1.2 m。管片材料为C50混凝土。盾构隧道覆土厚度为11.7 m，主要穿越粉质黏土层、黏质粉土层、细砂层和黏质粉土层，桩端持力层位于粉质粘土夹粉土层。下穿段长度约为30 m。对应的隧道环号为685～715环。在该区段内，盾构机将切削175根桩，使原有11 m桩长，缩短3.1～3.7 m。切桩比(被切削桩的数量与复合地基总桩数的比例)的16%左右。无论下穿切桩对象，还是施工中的切桩数量和切桩比在国内外所有工程中尚为首例。盾构隧道下穿切桩如图2所示。

图1 下穿隧道与居民楼平面位置关系图Fig.1 Location relationship between crossing tunnels and residential buildings

图2 盾构隧道下穿切桩示意图Fig.2 Schematic diagram of shield tunnel cutting pile

2 房屋和地表沉降监测数据分析

实际工程中房屋沉降监测点编号JG1-1～JG1-19，共19个测点，如图1所示。这里将图1中房屋沉降监测点JG1-3～JG1-11所在一侧称为砌体房屋“北侧”；房屋沉降监测点JG1-13～JG1-19、JG1-1所在一侧称为砌体房屋“南侧”。实际工程中盾构下穿切桩从砌体房屋南侧(JG1-16和JG1-17)开始，北侧(JG1-10和JG1-11)结束。

2.1 盾构施工全过程房屋沉降变化规律

图3分别给出了盾构下穿施工全过程中南北侧房屋沉降监测点累计沉降变化曲线。从图3可以看出，盾构下穿施工大致分3个阶段。第一阶段，盾构机刀盘距离开始切桩位置(JG1-17)仍约有20环(24 m或3.9倍隧道外径)，开始引起房屋隆起；第二阶段，盾构开始切桩，切桩位置为房屋与隧道轴线的交叉点(JG1-17)；第三阶段，盾尾脱离房屋(JG1-11)约30环(36 m或5.8倍隧道外径)时，房屋沉降趋于稳定。房屋最大隆起和沉降量分别约为5 mm和-10 mm。盾尾脱离房屋后，房屋北侧沉降仍持续增加，但南侧沉降基本趋于稳定。

括号内的数字表示具体的监测时间图3 盾构切桩下穿过程中房屋沉降实时变化曲线Fig.3 Settlement change curve of shield cutting piles through houses

盾构隧道下穿施工导致房屋北侧呈现先隆起后沉降趋势，而房屋南侧持续沉降。房屋的南北侧由于与盾构轴线的距离不同，因此受到施工扰动影响的程度也不一样，进而导致房屋在盾构下穿施工的全过程中向南倾斜。究其原因，盾构侧穿施工迫使隧道周围土体向隧道轴线方向移动，由此产生的侧向卸荷作用，导致房屋南侧复合地基中桩间土下沉。由于复合地基上部荷载是由桩和桩间土共同承担，当桩间土下沉时，桩间土分担的荷载将减小，更多由桩承担，当桩承担更多荷载时，加之桩间土下沉改变了桩与桩间土之间摩阻力的作用方向和大小，使桩的正摩阻力减小、负摩阻力增加、桩端阻力减小，进而使桩的承载力下降。承载力下降和分担荷载增多共同导致房屋南侧的桩沉降增大，进而引起房屋南侧基础下沉。当房屋南侧沉降时，近似为刚性体的房屋将产生倾斜，致使房屋北侧隆起。

2.2 南侧和北侧房屋沉降分布规律

图4分别给出了南北两侧建筑物沉降的分布特征曲线。从图4中可以看出，盾构机刀盘开始切桩时会导致房屋西南侧沉降，东北侧隆起；盾尾脱离房屋后，房屋整体下沉。房屋累计沉降最大值出现在房屋与隧道轴线交叉点附近，即JG1-16、JG1-17、JG1-9、JG1-10，这些监测点附近的房屋结构易先产生裂缝。此外，房屋南北侧最大沉降点出现在不同位置，使得南北侧基础和外墙的纵向变形和受力形态完全不同，北侧基础和外墙更接近于悬臂高梁结构，南侧基础和外墙更接近于简支高梁结构。这种差异不仅会使房屋发生弯剪破坏，还可能发生扭剪破坏。而房屋扭剪力最大值出现的位置和大小是随着盾构机的向前掘进不断变化的。

图4 房屋沉降监测点分布曲线Fig.4 Distribution curve of building settlement monitoring points

3 施工参数统计分析与建议

对盾构切桩下穿全过程中土仓压力、总推力、刀盘扭矩、推进速度、刀盘转速和注浆量6个关键参数进行了统计分析，如图5所示。

由图5(a)可知，土仓压力持续上调，区间范围为0.11～0.15 MPa，其中盾构机刀盘开始切桩前将土仓压力增至0.14 MPa，使房屋出现了隆起(图3)，随后下调土仓压力至0.12 MPa，此后逐步上调至0.18 MPa，盾构机刀盘切桩完成。

由图5(b)和图5(c)可知，刀盘转速先减小后缓慢增加，切桩下穿时控制在1.03～1.10 r/min；刀盘扭矩持续下调，切桩下穿时控制在2 800～4 400 kN·m。

由图5(d)和图5(e)可知，盾构机总推力先微量增幅后迅速减小，切桩下穿段控制在22 500～26 300 kN。掘进速度始终持续增大，切桩下穿段控制在12～25 mm/min。

同步注浆配比：水泥170 kg、粉煤灰400 kg、膨润土80 kg、砂750 kg、水450 kg，浆液初凝时间约4 h，注浆压力约为0.3 MPa。图6所示，盾尾同步注浆量呈先增加后减小的趋势，切桩下穿时平均值在7.58 m3，刚开始切桩时迅速将同步注浆量从7 m3上调至8.8 m3，使房屋隆起增大后又下调注浆量至6.4 m3后又再次上调注浆量至8.8 m3，随后再次下调。

图5 值构切桩下穿施工参数的变化Fig.5 Change of construction parameters of underpass of shield cutting pile

结合图1、图3、图5和图6，盾构机从黏质粉土和细砂地层，掘进至粉质黏土、黏质粉土和富水砂层，土仓压力、刀盘转速、刀盘扭矩、掘进速度、同步注浆量在703～715环出现了大幅波动，致使该段房屋北侧沉降增幅加快。对于本工程而言，盾构切桩下穿时，稳定土仓压力、增大同步注浆量、提高刀盘转速更有利于控制房屋沉降变形。而盾尾脱离房屋后，不应大幅度调整施工参数，适当增大刀盘压力和千斤顶推力，保持刀盘扭矩、刀盘转速、同步注浆量和掘进速度不变，更有利于控制房屋沉降。

此外，盾构切桩下穿过程中，在盾构机壳的拱顶和拱腰3个点，采用克泥效注浆。AB液体积比20∶1，每方浆液克泥效粉用量400 kg，波美度水玻璃70 kg，水846 kg。注入率120%～150%，填充盾体与周围土体之间的间隙。管片脱离盾尾6～8环后进行二次双液注浆，每环注浆的顺序为先拱顶后两腰。注浆压力控制在0.5 MPa以下，并根据房屋沉降监测数据变化量，实施调整注浆参数。为了防止盾构机在富水砂层(图1)中磕头，实际施工时通过调整分区油缸压力，将盾构机姿态上调。

盾构下穿施工全过程对房屋裂缝进行了监控，未发现原裂缝发展，如图7所示。盾构切桩下穿后期，分别依据《建筑地基基础设计规范》(GB50007)[12]和《危险房屋鉴定标准》(JG J125)[13]和极限拉应变控制方法[14]相关规定，对房屋结构损伤情况进行了分析。测点JGC1-01和JGC1-03，差异沉降为4.6 mm，斜度i=0.2‰；测点JGC1-11和JGC1-13，差异沉降为5.8 mm，斜度i=0.3‰；测点JGC1-16和JGC1-07，差异沉降为10.7 mm，斜度i=0.6‰。砌体结构的极限拉应变为7‰，满足规范要求。表明上述施工措施有效。

图6 左线盾构注浆量变化曲线Fig.6 Change curve of shield grouting amount on left line

图7 房屋开裂监控Fig.7 Building crack monitoring

4 结论

依托盾构切桩下穿砌体房屋条形基础群桩复合地基实际工程，本文系统对房屋沉降分布特征及变化规律，施工参数进行了分析，并初步给出如下建议。

(1)在距离开始切桩位置约20环(3.9倍隧道外径)，以及盾尾脱离复合地基加固后约30环(5.8倍隧道外径)的范围内，盾构施工会对房屋沉降产生较大影响，尤其是切桩下穿段。为此，对于此类工程应在该范围内加密房屋监测频率和布点。

(2)盾构切桩斜向下穿房屋，会导致房屋向隧道轴线方向倾斜。房屋累计沉降最大值会出现在房屋与隧道轴线交叉点附近，应加密观测该处房屋裂缝开展情况。

(3)盾构切桩下穿时，稳定土仓压力、增大同步注浆量、提高刀盘转速更有利于控制房屋沉降变形。而盾尾脱离房屋后，不应大幅度调整施工参数，适当增大刀盘压力和千斤顶推力，保持刀盘扭矩、刀盘转速、同步注浆量和掘进速度不变，更有利于控制房屋沉降。

(4)采用克泥效盾壳径向注浆、二次双液注浆、上调盾构姿态在富水砂层中辅助削弱施工扰动对地层变形的影响是有效的。